刘松林

（成都汉芯国科集成技术有限公司，成都 610000）

定向耦合器是射频收发机系统中常用的一种四端口器件，主要用于对系统中某一确定传输方向的功率信号进行检测。定向耦合器作为一种基本的微波无源器件，能够在一定的频率范围内实现隔离、功分和合成功率信号的功能，广泛应用于平衡开关、反射式移相器、匹配放大器、信号发生器和射频收发器等领域。方向性和插入损耗是定向耦合器的2个关键参数，因为方向性决定了发射功率的调制精度，而插入损耗直接关系到发射效率。此外，随着射频系统工作频率的增加，对超宽带定向耦合器的需求也越来越大。因此，人们在开发具有超宽带、低插入损耗、高方向性的定向耦合器方面作出了许多努力。例如，通过调节孔的位置或波导的方向，在耦合口叠加了电偶极子的辐射场，在隔离口偏移了磁偶极子的辐射场，从而提高了波导定向耦合器的方向性[1]。通过增加耦合隙中的奇模电容和降低耦合隙中的奇模相速度，提高了微带定向耦合器的方向性，采用多段电路提高了定向耦合器的工作带宽[2]。近年来，小型化是定向耦合器的发展趋势之一。虽然已有的研究在提高定向耦合器的性能方面取得了很大的进展[3-6]，但在低频段实现低插入损耗、超宽带、高指向性的片上定向耦合器仍是一个巨大的挑战。

20世纪中叶，铁氧体材料的发现可以说是微波技术中的一大突破。铁氧体磁芯的初始磁导率在极宽的一段频率范围内基本保持不变的特性使得其制成的射频器件具有极宽的工作带宽。目前，基于铁氧体磁芯的射频器件已经受到越来越多的关注。国内外基于铁氧体材料也进行了很多的研究[7-10]，其在射频段，尤其是低频段有着十分优良的性能。

本文为了解决低频段使用分布式参数使得物理尺寸过大的问题，利用铁氧体磁芯在低频段得到宽带特性，通过在铁氧体磁芯上缠绕漆包线的形式以及在耦合端加载高阻值电阻的形式实现小信号耦合，同时实现高方向性，并通过制作耦合器实物进一步验证设计方法的正确性。实测结果表明，制作的耦合器在30～300 MHz频段内具有良好的频率响应。其中，回波损耗（S11）小于-30 dB，直通损耗（S21）小于0.3 dB，耦合度32 dB，方向性通频带内保持在20 dB以上。

1 概述

1.1 定向耦合器

定向耦合器是一种将功率定向分配给多个终端的四端口网络，主要包含输入端、直通端、耦合端和隔离端。定向耦合器由主线和副线组成，如图1所示，端口1为输入端，端口2是直通端，端口3和端口4分别为耦合端和隔离端。输入信号将功率从输入端输入，在主线上将绝大部分功率输送到直通端；在副线上将输入信号耦合到耦合端，理论上输入信号在隔离端无耦合出来的功率。定向耦合器的技术指标主要包括：耦合度C、方向性D，插入损耗IL和工作带宽BW等。

图1 定向耦合器原理图

1.2 铁氧体材料基本特性

传统的集总元器件，如贴片电阻、电容、电感等，虽然体积非常小，但只能适用于低频段（小于10 MHz），而且损耗和误差也非常大；随着频率的不断升高，以分布式参数微带线为主的射频器件使用也越来越广泛，但是这类器件的有效带宽十分狭窄，而且由于微带电路自身的特性，贴片微带线器件的功率容量十分有限，但有大功率容量的金属波导器件的制造成本太过昂贵且不具有普遍性。

20世纪中叶，铁氧体材料的发现可以说是微波技术中的一大突破。目前，基于铁氧体磁芯的射频器件已经受到越来越多的关注。铁氧体材料在微波器件领域中的应用比较广泛，其形状也因其具体应用分为E型，单孔磁芯和双孔磁芯等。这种材料的特点在于其标量磁导率，在宽带射频器件设计中，利用其标量磁导率，所研制的器件属于互易器件，与微波铁氧体旋磁材料有着本质的区别，后者主要利用材料的饱和磁化强度和共振线宽来设计一些非互易性的器件，而射频宽带器件中用到的铁氧体材料是依靠其磁导率和其磁损耗对应频率的变化响应曲线不同，来设计各种各样不同功能的器件。由于铁氧体材料的磁导率磁损耗在高频的情况下都会减小到无穷小，所以这种材料很难在高频端得到应用。

大多数对磁性材料的研究认为是磁损耗越小越好，同时又希望磁导率能保持一个较大的值。软磁材料的截止频率大多在2 GHz以下，即当频率大于2 GHz时，材料的磁导率和磁损耗都会迅速减小到0。由于磁导率数值随着频率的升高会下降，按照磁导率的可用频率，这类软磁材料制作的器件大多工作在几十千赫兹到几百兆赫兹左右，具有非常好的低频特性，同时因为材料本身的特性，设计的器件尺寸不受波长比拟的限制，因此可以大大减小实际的尺寸，达到器件小型化设计的目的[11-12]。

2 基于铁氧体磁芯的宽带定向耦合器设计

根据上文所述，铁氧体材料可以在1 GHz以下实现良好的电性能，本文结合经典的定向耦合器电路和传输线变压器的相关知识，设计了一款0.1～300MHz的高耦合系数宽带定向耦合器，此类耦合器在有较小的物理尺寸的同时，具有良好的电性能。

2.1 电路设计

微带线、带状线或是波导形式的定向耦合器都需要四分之一波长线来满足一定的阻抗变换，从而实现耦合器的基本功能，若是在几十兆或者是几百兆赫兹时，四分之一波长线就会使得器件整体尺寸变得相当大，而且带宽也很难做得很宽。图2为本文所设计的宽带定向耦合器的等效电路图，其中TR1为一个双线变压器，绕线比为1∶N，两个高阻值电阻R1和R2分别跨接在输入端与耦合端、直通端与隔离端之间，阻值均为R，之后再接入2个50Ω匹配电阻，主要作用是利用高阻值电阻从主线上获得一个小电流和小电压，从而在耦合端耦合出一个小功率信号。

2.2 性能分析

图2的电路仿真结果如图3所示，在理想状态下，铁氧体材料所制成的定向耦合器可以实现超宽带工作，以及很好的方向性。从图3中可以看出，所涉及的耦合器的回波损耗在通频带内在-30 dB以下，耦合度为33 dB，方向性在20 dB以上。

图2 宽带定向耦合器等效电路图

图3 定向耦合器仿真结果

为了进一步探究电路参数对耦合器性能的影响，本文对不同匝数比以及不同高阻值电阻进行了扫参分析。图4为不同匝数比和不同高阻值电阻R情况下耦合度的变化情况，从图4中看到，随着匝数比N的提高，耦合度不断升高；电阻的值越大，耦合系数也越大。因此，通过合理确定匝数比和电阻值，使其达到一个平衡，可以显著提高设计的耦合器的电性能。

图4 不同匝数比和电阻值R对耦合度的影响

3 实物制作和测试

为了进一步验证设计的合理性，图5（a）为实际制作的宽带定向耦合器实物图，本设计中，TR1的匝数比为1∶36，R1和R2的阻值均为2.7 kΩ，电路基板选用介电常数为2.65的F4B-2板材，厚度为1 mm。图5（b）为实测结果。从图5（b）可以看出，所制作的耦合器在30～300 MHz频段范围内具有良好的电性能，输入端回波损耗（实线，S11）优于-30 dB，插入损耗（虚线，S21）小于0.3 dB，耦合度（点线，S31）基本保持在32 dB，隔离度（点划线，S41）通频带内大于55 dB。

图5 定向耦合器实物图及其实测结果

4 结论

本文提出了一种基于铁氧体磁芯的宽带定向耦合器，主要工作在0.1～300 MHz，实际制作实物证明这种设计具有很好的回波损耗（小于-30 dB），低插损（小于＜0.3 dB）以及高方向性（大于20 dB）的特点。这种设计利用铁氧体材料在低频的宽带特性，避免了传统微带结构尺寸与工作波长比拟的特点，大大减小了物理尺寸的同时，保证了良好的电性能。